上游激波干扰时斜激波串受迫振荡特性实验研究

为了研究斜激波串在与上游激波相互干扰时对下游周期性扰动的响应特征,在来流为马赫数2.7的直管道上游设计了一种等宽度斜楔,在下游中心截面位置安装了旋转的椭圆凸轮,以产生类正弦形式的周期性反压扰动,采用了动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速技术等手段进行了试验。结果表明:内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂背景流场,在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。下游产生的正弦形式的周期性扰动会沿着边界层亚声速混合区域逆流前传,引起壁面压力脉动和斜激波串的周期性振荡运动,振荡频率与反压扰动频率相同。在管道内均匀流场中,斜激波串受迫振荡运动的幅值随着反压扰动频率的增加而逐渐减小。在内置斜楔的管道中,斜激波串受迫振荡运动的幅值大大减小,而且随着反压扰动频率的增加基本保持不变。以文中fs=21Hz为例,斜激波串在上游激波干扰中的受迫振荡幅值仅为在均匀来流中振荡幅值的22%。     

典型工况下旋转爆震发动机进气道流动特性研究

旋转爆震发动机是一种具有较大潜力的新型动力装置,燃烧室存在的高频超高压周向压力脉动直接影响进气道扩张段的流动特征,本文采用三维定常/非定常数值模拟方法针对旋转爆震发动机进气道扩张段复杂非定常流动特性开展研究。研究结果表明：受下游燃烧室旋转爆震波影响,扩张段内存在呈螺旋状向上游传播的运动激波;运动激波向上游传播过程中强度衰减、传播速度下降,激波形态逐步由类正激波向类斜激波演化,运动激波逐步向驻激波演变,运动激波与边界层干扰诱发的回流区逐步向波前扩展,波面坐标系下波前亚声速相对厚度逐渐增大;与定常反压状态相比,旋转爆震工作状态进气道出口静温、总温较高、总压较低。本文研究加深了对旋转爆震发动机进气道流动特性的认识,有助于该类发动机进气道的研制。     

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。     

爆震波逆向传播抑制特性数值仿真

为了发展爆震工作条件下进气涵道运动激波前传抑制技术,采用非定常数值方法开展了爆震发动机进气涵道流动特性 与高频强扰动抑制技术研究。结果表明：受出口高频强压力扰动影响,涵道内存在逆向传播的运动激波。在运动激波逆向传播过 程中激波强度与压力脉动强度先衰减后增强,运动激波传播速度逐渐减小直至为零。刚性障碍物高度影响运动激波传播特性。 随着障碍物高度增加,压力脉动谷值逐渐降低并向下游移动,同时结尾激波向上游移动,波前马赫数降低,结尾激波强度减弱,使 出口马赫数和总压恢复系数均增大;合理选取刚性障碍物高度可以有效降低压力脉动强度,当障碍物高度为进气涵道出口高度的 0.07倍时,涵道内的总压恢复系数达到了0.884,脉动强度谷值最大下降36.6%,对上游的影响相对较小。     

带抽吸二元进气道/隔离段激波串振荡特性

针对抽吸缝作用下激波串非定常振荡的复杂流动问题,采用高速纹影结合壁面动态压力测量的方法,在马赫数6的激波风洞中研究了高马赫数二元进气道/隔离段中激波串的自激振荡特性。隔离段出口不同堵塞度的实验结果表明:在低堵塞度下,隔离段内的分离激波无明显振荡;在中等堵塞度25.3%～32.3%和高堵塞度35.3%～38.2%工况下,隔离段内产生非定常激波串,受到隔离段内预先存在的背景波系以及抽吸缝泄流作用的影响,分别出现大幅度低频振荡和小幅度高频振荡;而当堵塞度超过临界值后,激波串被推出进气道,出现不起动。在大幅度振荡模式中,上壁面大分离区周期性地形成和消失,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝后缘到隔离段出口之间大幅度振荡,其振荡主频约为280Hz～480Hz,并且随着堵塞度升高而降低;在小幅度振荡模式中,上壁面始终存在大分离区,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝附近小幅振荡,其振荡主频约为900Hz～1800Hz。两种振荡模式均给隔离段壁面带来严酷的脉动压力载荷。     

激波串与进气道肩部分离泡相互作用

针对高超声速进气道激波串与肩部分离泡相互作用时的流动振荡问题，在来流马赫数为6的激波风洞中，采用高速纹影拍摄结合壁面动态压力测量，研究了有/无抽吸情况下激波串与肩部分离泡的相互作用过程。结果表明：当激波串前移至肩部附近时，有抽吸进气道也会产生大尺度的分离泡，进而有/无抽吸进气道内的激波串均会与肩部分离泡形成耦合振荡，并造成严重的脉动压力。在激波串的推动下，分离泡能够自由地越过肩部凸拐角，使得其自身的低频振荡特性能够显现。激波串内的压力波动会显著改变分离泡的形态，而分离泡形态的变化又会影响激波串内的压力，两者相互耦合从而维持这种低频振荡。无抽吸进气道具有相同的低频耦合振荡特性；而抽吸缝阻碍了上下游的信息传递，使得有抽吸进气道的分离泡低频振荡显著，而激波串振荡具有一定的宽频特性。经分离激波振荡范围和进气道入口速度无量纲后，有/无抽吸进气道低频耦合振荡的St均处于0.011～0.021，与经典分离泡的低频振荡特性相当。     

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6，二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时，隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近，100～500 Hz范围内随频率增加，流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂，以凹腔中部为界，其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低，其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压，但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关，工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

边界层抽吸和脉动反压作用下隔离段内流动特性研究

为了解上游边界层抽吸控制和下游周期脉动反压作用下隔离段内流动特性,采用非定常数值模拟和理论分析相结合的方法,对来流Ma=2情况下的隔离段内激波串动态演化特性、激波串形态结构变化以及激波串演化迟滞现象进行了研究。结果表明,在脉动反压和边界层抽吸作用下,激波串在上游抽吸狭缝与下游隔离段出口之间周期振荡,振荡频率与脉动反压一致。在振荡过程中,首道激波串形态在规则反射与马赫反射以及马赫反射与弧形激波(包含正激波)之间相互转换。边界层抽吸将激波串固定在抽吸狭缝位置,有效提高了隔离段抗反压性能,脉动频率越大,可承受的瞬态反压峰值越大。在一个振荡周期内,激波串向上移动速度较向下移动更快,且在上下移动过程中形态变化存在迟滞现象。     

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。      

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性。采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制。     

Shock train and pseudo-shock phenomena in internal gas flows

The interaction between a normal shock wave and a boundary layer along a wall surface in internal compressible flows causes a very complicated flow. When the shock is strong enough to separate the boundary layer, the shock is bifurcated and one or more shocks appear downstream of the bifurcated shock. A series of shocks thus formed, called “shock train”, is followed by an adverse pressure gradient region, if the duct is long enough. Thus the effect of the interaction extends over a great distance. The flow is decelerated from supersonic to subsonic through the whole interaction region. In this sense, the interaction region including the shock train in it is referred to as “pseudo-shock” in the present paper, as Crocco called it. The shock train and pseudo-shock strongly affect the performance and efficiency of various flow devices. In the present review some fundamental characteristics of the shock train and pseudo-shock are first described. Some simple predictions are made to simulate these very complicated phenomena. Pseudo-shocks appearing in various flow devices are explained. Control methods of the pseudo-shocks are also described. Finally, the current understanding of self-excited oscillation of pseudo-shock is reviewed.     

冲压叶栅边界层抽吸处理分析

为了提高冲压转子叶片的性能,通过数值模拟的方法研究了边界层抽吸技术在内压式冲压叶栅上的应用,结果表明,与未抽吸的工况相比,采取抽吸措施可以提高冲压叶栅的增压能力,且其增压能力随着抽吸流量的增加而提高。在喉口位置之前抽吸会增强抽吸缝后的激波强度;而在喉口以及喉口之后的亚声区进行抽吸可以增大叶栅扩张段的气动流通面积,这会使结尾激波向叶栅出口移动,有利于提高冲压叶栅的压比;在结尾激波之后的低能流体聚集区抽吸更有利于冲压叶栅总压恢复系数的提高。在喉口之后抽吸时,对于某一确定抽吸位置的工况,存在着使总压恢复系数最大的最佳抽吸流量;研究结果还表明,当抽吸流量固定时,在喉口位置抽吸比在其它位置抽吸更能提高冲压叶栅的增压能力。     

Self-sustained shock oscillations on airfoils at transonic speeds

Self-sustained shock wave oscillations on airfoils at transonic flow conditions are associated with the phenomenon of buffeting. The physical mechanisms of the periodic shock motion are not yet fully understood even though experiments performed over fifty years ago have demonstrated the presence of oscillatory shock waves on the airfoil surfaces at high subsonic speeds. The unsteady pressure fluctuations generated by the low-frequency large-amplitude shock motions are highly undesirable from the structural integrity and aircraft maneuverability point of view. For modern supercritical wing design with thick profiles, the shock-induced fluctuations are particularly severe and methods to reduce the shock wave amplitudes to lower values or even to delay the oscillations to higher Mach numbers or incidence angles will result in expanding the buffet boundary of the airfoil. This review begins with a recapitulation of the classical work on shock-induced bubble separation and trailing edge separation of a turbulent boundary layer. The characteristics of the unsteady pressure fluctuations are used to classify the types of shock-boundary layer interaction. The various modes of shock wave motion for different flow conditions and airfoil configurations are described. The buffet boundaries obtained using the standard trailing edge pressure divergence technique and an alternative approach of measuring the divergence of normal fluctuating forces are compared to show the equivalence. The mechanisms of self-sustained shock oscillations are discussed for symmetrical circular-arc airfoils at zero incidence and for supercritical airfoils at high incidence angles with fully separated flows. The properties of disturbances in the wake are examined from linear stability analysis of two-dimensional compressible flows. The advances in high-speed computing make predictions of buffeting flows possible. Navier–Stokes solvers and approximate boundary layer-inviscid flow interaction methods are shown to give good correlation of frequencies and other unsteady flow characteristics with experiments. Finally, passive and active methods of shock oscillation control show promising results in delaying buffet onset to higher Mach numbers or incidence angles, thus enhancing the transonic performance of airfoils.